1 橋梁加固誤區(qū)之一-----加固設(shè)計(jì)忽略分階段受力特點(diǎn),機(jī)械套用新建橋梁設(shè)計(jì)程序

橋梁結(jié)構(gòu)自重和恒載大，一般均采用帶載加固，即在不卸除結(jié)構(gòu)自重和恒載的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，待后加補(bǔ)強(qiáng)材料與原結(jié)構(gòu)粘結(jié)為整體后，開(kāi)放交通允許車(chē)輛通行。構(gòu)件自重和不拆除的恒載由原梁承擔(dān),車(chē)輛荷載及后加恒載由加固后的組合截面承擔(dān),橋梁加固設(shè)計(jì)必需考慮分階段受力特點(diǎn)。

中交一院西安瑞通路橋科技有限公司總經(jīng)理許宏元以“一個(gè)應(yīng)引起廣泛重視的技術(shù)認(rèn)識(shí)誤區(qū)”為題,客觀地分析了我國(guó)橋梁加固設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題,他指出：“《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG/T122-2008)己于2008年10月1日正式實(shí)施, ,這本規(guī)范特別指出橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力。----從筆者參與審查的幾個(gè)大型橋梁加固項(xiàng)目來(lái)看,加固設(shè)計(jì)者并沒(méi)有完全理解加固規(guī)范的基本原則。還是在沿用過(guò)去的設(shè)計(jì)理念,采用一階段受力加固,”[1]-43頁(yè)。

  1.1為什么要特別強(qiáng)調(diào)“橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”.

  橋梁加固設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)的主要原因橋梁結(jié)構(gòu)自重和恒載大，一般均采用帶載加固，分階段受力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響大。北京公科固橋技術(shù)有限公司副總經(jīng)理李承昌介紹了一座跨徑布置為20+25+20m鋼筋混凝土連續(xù)空心板橋自荷載效組合情況,“不考慮荷載組合系數(shù)時(shí),邊跨跨中恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的64％,墩頂恆載墩恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的78％,中跨跨中恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的63.4％” [1]-51-52頁(yè)。

以常用的中等跨徑的橋梁為例, 占總內(nèi)力60％左右的恆載內(nèi)力(又稱(chēng)一期荷載效應(yīng))是由原梁鋼筋承擔(dān)的,后加補(bǔ)強(qiáng)后強(qiáng)材料與原梁鋼筋一起只承擔(dān)占總內(nèi)力40％左右的活載內(nèi)力(又稱(chēng)二期荷載效應(yīng))。換句話說(shuō),在進(jìn)行加固時(shí),原梁鋼筋己承受了60％左右荷載內(nèi)力,具有60％左右的初應(yīng)變(或應(yīng)力)。加固后在活載(即二期荷載)作用下,后加?強(qiáng)材料開(kāi)始受力, 原梁鋼筋的應(yīng)變(或應(yīng)力)繼續(xù)增加, 兩者共同承擔(dān)兩40％左右的內(nèi)力。在加固構(gòu)件中原梁鋼筋和后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力增長(zhǎng)的起點(diǎn)不同, 原梁鋼筋的應(yīng)變(或應(yīng)力)超前,后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變(或應(yīng)力)滯后,這必將對(duì)結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力產(chǎn)生影響,其影響程度與一期荷載效應(yīng)占總荷載效應(yīng) (或原鋼筋初應(yīng)變占總應(yīng)變) 的百分比有關(guān),一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重越大,分階段受力對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力產(chǎn)生影響越大。一般認(rèn)為, 一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重小于15％時(shí),可忽略分階段受力的影響。常用的中等跨徑的橋梁一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重己達(dá)60％左右,隨著橋梁跨徑的加大,結(jié)構(gòu)自重和恒載引起的內(nèi)力所占的比重還會(huì)加大,分階段受力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力的影響是絕不能忽略。

1.2 橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)忽略分階受力影響的危害是過(guò)高估計(jì)了后加補(bǔ)強(qiáng)材料的作用,設(shè)計(jì)是不安全的。

許宏元總經(jīng)理指出“對(duì)大部分橋梁來(lái)說(shuō),加固時(shí)并不可能完全卸載,加固設(shè)計(jì)按一階段受力就欠合理,有可能導(dǎo)致加固后的橋梁產(chǎn)生新的危險(xiǎn)” [1]-43頁(yè)。

筆者理解許總是從《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG/T122-2008)規(guī)定的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法角度認(rèn)識(shí)這一問(wèn)題的. 對(duì)橋梁加固構(gòu)件而言,后加補(bǔ)強(qiáng)材料只承擔(dān)活載（車(chē)輛荷載）及后加恒載產(chǎn)生的內(nèi)力，與原梁鋼筋相比，其應(yīng)變（應(yīng)力）相對(duì)滯后，一般情況下,在極限狀態(tài)時(shí)其應(yīng)力達(dá)不到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。極限狀態(tài)下，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力發(fā)揮程度受原梁的變形限制，與原梁的配筋率有關(guān)。計(jì)算結(jié)果表明，采用直接粘結(jié)高強(qiáng)復(fù)合纖維的被動(dòng)加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用。若在設(shè)計(jì)忽略分階段受力的影響, 即相當(dāng)于“取極限狀態(tài)下后加?強(qiáng)材料的應(yīng)力取其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值”,由此求得承載力顯然是不安全的。

     重慶交通大學(xué)周建庭教授以“橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)定和力學(xué)分析型研究現(xiàn)狀與展望”為題,對(duì)忽略分階受力影響的危害作了分析,“由于加固増強(qiáng)結(jié)構(gòu)的二次受力特性,原結(jié)構(gòu)在加固前應(yīng)力水平很高,變形很大的情況下,很有可能在加固施工完成后所有荷載作用下,加固層應(yīng)力和應(yīng)變始終處于一個(gè)較低的水平,材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮;如加固層自重較大,消耗了橋梁原有己剩不多的承載力,則加固后的原結(jié)構(gòu)可能處于一種以加固前更不利的狀態(tài),從而威脅加固后橋梁使用的安全性” [1]-68頁(yè)

  北京公科固橋梁技術(shù)有限公司副總經(jīng)理李承昌以“新技術(shù)、新材料濫用”為題談到“碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)功能被夸大”的問(wèn)題時(shí)指出：碳纖維、不銹鋼絲網(wǎng)雖然強(qiáng)度很高,但截面積很小,構(gòu)件粘貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)時(shí), 貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)折算為鋼筋的面積并不大,…..增加的抗彎承載能力相對(duì)較小” [1]-54頁(yè)

    筆者理解李總是從彈性理論允許應(yīng)力法角度分析這一問(wèn)題的。眾所周知,按彈性理論允許應(yīng)力法計(jì)算橋梁加固構(gòu)件分階段受力概念清晰,其基本原理是[4]：一期荷載（構(gòu)件自重及恒載）由原梁承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開(kāi)裂截面計(jì)算的原梁換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計(jì)算；二期荷載（活載）由加固后的組合截面承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開(kāi)裂截面計(jì)算的加固后組合截面的換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計(jì)算。***后，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力直接疊加，并控制其小于規(guī)定的容許值。計(jì)算結(jié)果表明, 按彈性理論允許應(yīng)力法計(jì)算橋梁加固構(gòu)件,通常是原梁鋼筋應(yīng)力控制設(shè)計(jì),后加補(bǔ)強(qiáng)材的應(yīng)力很小,一般情況下不控制設(shè)計(jì)。換句話說(shuō),后加高度補(bǔ)強(qiáng)材料(碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)等)的高抗拉性能根本無(wú)法充分發(fā)揮,對(duì)提高承載力的作用是有限的.

1.3 加深對(duì)橋梁加固構(gòu)件分階受力特點(diǎn)認(rèn)識(shí)和理解是樹(shù)立正確設(shè)計(jì)思想的前提[2]、[3]。

橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)必須考慮帶載加固分階受力特點(diǎn)，是橋梁加固設(shè)計(jì)與新建橋梁設(shè)計(jì)的******區(qū)別，加深對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解是樹(shù)立正確設(shè)計(jì)思想的前提。只有了解“橋梁加固構(gòu)件分階受力引起的后加補(bǔ)強(qiáng)材應(yīng)變(應(yīng)力)滯后”的受力特點(diǎn),才能理解“極積推廣預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固設(shè)計(jì)思想” 的真實(shí)含義。

橋梁加固構(gòu)件后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變滯后是影響加固構(gòu)件工作性能、制約后加補(bǔ)強(qiáng)材料利用效率和控制加固工程成本的瓶頸。解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后的根本途徑是變被動(dòng)加固為主動(dòng)加固，對(duì)后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，做成預(yù)應(yīng)力加固體系,正截面抗彎加固要加預(yù)應(yīng)力,斜截面抗剪加固更要加預(yù)應(yīng)力?？款A(yù)應(yīng)力的主動(dòng)受力，從根本上解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，提高后加補(bǔ)強(qiáng)材料的利用效益，以***少的成本創(chuàng)造******的加固效果。由于預(yù)加力的作用改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。

  1.4 研究開(kāi)發(fā)橋梁加固設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件是落實(shí)““橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”設(shè)計(jì)原則的當(dāng)務(wù)之急.

   “橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”是筆者和很多同行專(zhuān)家近幾年反復(fù)宣傳的基本觀點(diǎn)[2]- [3] [4],是編制橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范的基本原則[1]-54頁(yè),其力學(xué)概念清晰,特別是采用弾性理論允許應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)是很容易理解的。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的基本力學(xué)概念問(wèn)題,為么在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中遲遲不能推廣落實(shí)？筆者百思不解。北京公科固橋技術(shù)有限公司總工程師王國(guó)亮在分析“加固設(shè)計(jì)質(zhì)量不高”的原因時(shí)指出: “公路橋梁加固專(zhuān)用設(shè)計(jì)計(jì)算軟件缺乏,橋梁加固的設(shè)計(jì)計(jì)算更為復(fù)雜,不但要根據(jù)橋梁現(xiàn)狀,合理準(zhǔn)硧地模擬出當(dāng)前橋梁的受力狀態(tài),而且要兼顧新加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的應(yīng)變滯后的計(jì)算,目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的橋梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,設(shè)計(jì)單位只能使用新建橋梁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算,其中的連接、約束、順序等需要人為干預(yù)或調(diào)整,難于做到快速、準(zhǔn)確” [1]-57-58頁(yè)?！澳壳吧袩o(wú)專(zhuān)門(mén)的橋梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,設(shè)計(jì)單位只能使用新建橋梁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算”點(diǎn)出了落實(shí)難的關(guān)鍵。因此, 研制開(kāi)發(fā)考慮分階段受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)損傷影響橋梁加固設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件是落實(shí)“橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)考慮分階段受力特點(diǎn)”設(shè)計(jì)原則的當(dāng)務(wù)之急。

2  橋梁加固誤區(qū)之二---不分加固性質(zhì)盲目亂貼碳纖維

前些年,粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固法在我國(guó)曾盛行一時(shí),對(duì)粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固效果也存在兩種完全不同的看法,有人說(shuō)粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固 “將我國(guó)橋梁加固提高到一個(gè)新的臺(tái)階”，有人說(shuō)是“把我國(guó)橋梁加固引入了盲目亂貼碳纖維的加固誤區(qū)” ;有人把它吹捧為“醫(yī)治百病的一貼靈”，有人把它貶低為 “一俊遮百丑的化裝品”。這些看法雖有些偏激，但是如何科學(xué)的評(píng)價(jià)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固的效果是無(wú)法回避的問(wèn)題。

2.1  粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固效果分析[3]

  (1)采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行加固,可有限地提高梁的抗彎和抗剪承載力。但是，必須再次特別強(qiáng)調(diào)指出，從作用原理上講，采用在受拉區(qū)（或受剪薄弱區(qū)段）直接粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維加固的鋼筋混凝土梁屬被動(dòng)加固范疇，極限狀態(tài)下后加補(bǔ)強(qiáng)纖維的應(yīng)力取決于原梁的配筋率。對(duì)于原梁高度較小，配筋率較大的情況，后加補(bǔ)強(qiáng)纖維的高抗拉性能根本無(wú)法發(fā)揮作用.。

以目前大量采用的直接粘貼碳纖維布（強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3350Mpa，彈性模量為2.2×105Mpa）加固的鋼筋混凝土T形梁為例：對(duì)于原梁的配筋率為4.5%（混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度 ）的情況，加固設(shè)計(jì)以混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限值控制,極限狀態(tài)下碳纖維的應(yīng)力只有776.6Mpa，此值只相當(dāng)于其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的23%。計(jì)算結(jié)果表明，采用直接粘結(jié)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的被動(dòng)加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用，“大馬拉小車(chē)”是一種極大的浪費(fèi)。特別是在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的環(huán)境下，這種盲目的浪費(fèi)是值得我們深思的。

(2)采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度提高不大。因此，對(duì)于以控制結(jié)構(gòu)變形為主要的使用功能加固是不適宜的。

(3)后粘貼的高強(qiáng)纖維復(fù)合材料可以制約裂縫的發(fā)展，間接的提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。后粘貼的含有多層樹(shù)脂膠和防護(hù)罩面膠的高強(qiáng)纖維層，可以提高混凝土的抗腐蝕和碳化能力。因此，對(duì)于以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限為主要目的耐久性加固，采用粘貼高強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固還是有一定效果的。但是，應(yīng)該指出:·因此，單純?yōu)榱颂岣吣途眯缘哪康牟捎脙r(jià)格昂貴的碳纖維做粘結(jié)膠層的保護(hù)層的作法是不適宜的。

2.2采用纏繞粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維復(fù)合材料對(duì)軸向受壓構(gòu)件進(jìn)行加固，加固效果顯著，有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

   纏繞粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維復(fù)合材料加固,從工作原理上講屬于約束加固,由于高強(qiáng)纖維復(fù)合材料層的約束作用，在縱向力的作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的抗壓承載力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性, 可明顯的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，廣泛用于抗震加固。

   筆者于2005年開(kāi)展了纏繞芳綸纖維布短柱試驗(yàn)研究，並對(duì)遭受?chē)?yán)重凍害的黑龍江省哈同公路螞蟻河1號(hào)橋的墩柱,采用纏繞芳綸纖維布的方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，收到了明顯的加固效果

2.3高強(qiáng)復(fù)合的應(yīng)用研究

    高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固法是采用錨固、粘貼在梁體外部（或箱內(nèi)）的高強(qiáng)復(fù)合纖維布條（或板條）對(duì)梁體施加預(yù)加力。這種加固體系目前尚處于試驗(yàn)研究階段，其關(guān)鍵技術(shù)是解決適應(yīng)于橋梁加固現(xiàn)場(chǎng)施工的預(yù)應(yīng)力纖維布條（或板條）的張拉、錨固和張拉后纖維布條（或板條）與被加固梁體的可靠粘結(jié)問(wèn)題。

筆者參與的深圳海川公司博士后課題《芳綸纖維（AFFP）加固技術(shù)》，研制開(kāi)發(fā)了錨固芳綸纖維布條的平板式錨具，并修建了試驗(yàn)橋。湖南科技大學(xué)何利雄等[52]對(duì)用于碳纖維布條的楔型變波紋夾片式錨具進(jìn)行試驗(yàn)研究,并用于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁加固。湖南大學(xué)尚守平教授開(kāi)展了碳纖維預(yù)應(yīng)力加固試驗(yàn)研究，并在湖南省瀏陽(yáng)市金剛頭橋加固工中應(yīng)用，取得了較好地加固效果。

  應(yīng)該指出,高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)是材料工業(yè)的一大進(jìn)步，但是這高強(qiáng)材料在土木工程中的應(yīng)用，特別是在加固工程中的合理應(yīng)用還是一個(gè)值得商榷的問(wèn)題。筆者認(rèn)為分清加固性質(zhì)，明確加固目的，在弄清加固作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地合理應(yīng)用這種新材料是橋梁加固工程應(yīng)解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

3 橋梁加固誤區(qū)之三----發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵

 中交路橋技術(shù)有限公司總工程師鮑衛(wèi)剛在談到“注意各加固方法的使用環(huán)境和條件”時(shí),指出“目前有一種值得進(jìn)一步商榷的現(xiàn)象,即混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)一些裂縫,不論其是結(jié)構(gòu)性裂縫還是非結(jié)構(gòu)性裂縫,就想方設(shè)法地優(yōu)先考慮采用粘貼纖維復(fù)合材料方法將其封閉起來(lái),實(shí)則留下了更大的安全隱患” [1]-36頁(yè)。

  “發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵”，猶如庸醫(yī)看病“發(fā)現(xiàn)體溫升高就吃退燒藥”。體溫升高是反映身體疾病的重要特征,引起體溫升高的原因是極其復(fù)雜的,如果不分清紅皂白的“發(fā)現(xiàn)體溫升高就吃退燒藥”,不但治不好病,還可能誤疹,嚴(yán)重時(shí)是會(huì)害死人的。裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表,引起裂縫原因是極其復(fù)雜的,如果不加分析研究，“發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵”不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險(xiǎn)。筆者認(rèn)為：處理裂縫首先要了解裂縫,只有對(duì)裂縫的性質(zhì)和危害有較深地理解, 才能做“對(duì)癥下藥”, 有針對(duì)應(yīng)地制定處理方案, 達(dá)到預(yù)期加固效果。

3.1混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類(lèi)型和成因[4]

    混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴(kuò)展而引起的。引起裂縫的原因很多，可歸納為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱(chēng)為荷載裂縫）非結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱(chēng)非荷載裂縫）兩大類(lèi)：

(1) 結(jié)構(gòu)性裂縫